JP6661028B2

JP6661028B2 - 作業位置補正方法

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Publication number: JP6661028B2
Application number: JP2018550941A
Authority: JP
Inventors: 政利藤田; 雅登鈴木
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Current assignee: Individual
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2020-03-11
Anticipated expiration: 2036-11-17
Also published as: EP3542969B1; US20190255708A1; CN109996653A; US11285609B2; WO2018092243A1; CN109996653B; EP3542969A1; JPWO2018092243A1; EP3542969A4

Description

本明細書は、作業位置補正方法について開示する。

従来、この種の作業ロボットとしては、目標点に対してＤＨパラメータを適用して座標変換を行なうことでロボットの動作を制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ＤＨパラメータの設定は以下のようにして行なわれる。即ち、ロボットの制御装置は、ロボットの動作空間内に測定点を設定する。次に、制御装置は、測定点へロボットを移動させて３次元の位置データを取得する。そして、制御装置は、取得した位置データと測定点との誤差からＤＨパラメータを導出する。制御装置は、目標点に基づいてロボットの動作を制御する際、目標点に対してＤＨパラメータを適用して座標変換を行なう。

特開２００９−１４８８５０号公報

しかし、上述した作業ロボットでは、座標変換に用いるＤＨパラメータを最適化しても、十分な作業精度を確保できない場合が生じる。例えば、作業ロボットは、ＤＨパラメータの最適化で修正できない誤差（例えば、アームの歪みなど）が含まれると、誤差の影響を受けて正確な位置に移動することができない。

本開示は、目標位置を指定して作業ロボットを動作させる際に必要な作業精度を確保することを主目的とする。

本開示は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本開示の作業位置補正方法は、目標位置を指定して多関節型の作業ロボットを動作させる際の作業位置補正方法であって、前記作業ロボットの可動領域内において複数の作業点を設定し、該設定した複数の作業点に対して空間座標値と補正値とを対応付けた補正パラメータを設定し、前記設定した補正パラメータを前記目標位置に反映させることを要旨とする。

この本開示の作業位置補正方法では、まず、作業ロボットの可動領域内において複数の作業点を設定する。次に、作業位置補正方法では、設定した複数の作業点に対して空間座標値と補正値とを対応付けた補正パラメータを設定する。そして、作業位置補正方法では、設定した補正パラメータを目標位置に反映させる。これにより、作業ロボットは、ロボットアームに誤差が含まれていても、その誤差の影響を受けることなく、より正確に目標位置へ移動させることができる。この結果、本開示によれば、目標位置を指定して作業ロボットを動作させる際に十分な作業精度を確保することができる。

本開示の作業ロボットは、多関節型のロボットアームと、前記ロボットアームの各関節を駆動するアクチュエータと、前記ロボットアームの可動領域内でマトリックス状に並ぶ複数の作業点に対してそれぞれ空間座標値と補正値とが対応付けられた補正パラメータを記憶する記憶装置と、前記記憶装置に記憶された補正パラメータを用いて前記目標位置を補正し、該補正した目標位置に基づいて前記アクチュエータを制御する制御装置と、を備えることを要旨とする。

この本開示の作業ロボットでは、ロボットアームとアクチュエータと記憶装置と制御装置とを備える。記憶装置は、ロボットアームの可動領域内でマトリックス状に並ぶ複数の作業点に対してそれぞれ空間座標値と補正値とが対応付けられた補正パラメータを記憶する。制御装置は、記憶装置に記憶された補正パラメータを用いて目標位置を補正し、補正した目標位置に基づいてアクチュエータを制御する。これにより、作業ロボットは、ロボットアームに誤差が含まれていても、その誤差の影響を受けることなく、より正確に目標位置へロボットアームを移動させることができる。この結果、本開示によれば、目標位置を指定して作業ロボットを動作させる際に必要な作業精度を確保することができる。

ロボットシステム１０の構成の概略を示す構成図である。ロボット２０の構成の概略を示す構成図である。ロボット２０と制御装置７０との電気的な接続関係を示すブロック図である。ロボット制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。マトリックス補正パラメータの一例を示す説明図である。作業位置補正工程の一例を示す説明図である。マトリックス測定・補正の測定手順の一例を示す説明図である。３次元計測器１００を用いてマーカｍに対して３次元計測を行なう様子を示す説明図である。作業点の一例を示す説明図である。キャリブレーションの様子を示す説明図である。

次に、本開示を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、ロボットシステム１０の構成の概略を示す構成図である。図２は、ロボット２０の構成の概略を示す構成図である。図３は、ロボット２０と制御装置７０との電気的な接続関係を示すブロック図である。なお、図１，２中、前後方向はＸ軸方向であり、左右方向はＹ軸方向であり、上下方向はＺ軸方向である。

ロボットシステム１０は、ロボット２０と、ロボット２０を制御する制御装置７０と、を備える。ロボットシステム１０は、ワークをピックアップし、ピックアップしたワークを対象物にプレースするシステムとして構成されている。本実施形態では、ロボットシステム１０は、部品を採取して基板Ｓ上に実装する部品実装システムとして構成されている。尚、ロボットシステムは、上述のシステムに限られず、ロボット２０を用いてワークに対して作業を行なうシステムであれば、如何なるシステムにも適用できる。

ロボット２０は、５軸の垂直多関節アーム（以下、アームという）２２と、ロボット２０の手先である図示しないエンドエフェクタと、を備える。アーム２２は、６つのリンク（第１〜第６リンク３１〜３６）と、各リンクを回転または旋回可能に連結する５つの関節（第１〜第５関節４１〜４５）と、を備える。各関節（第１〜第５関節４１〜４５）は、対応する関節を駆動するモータ（第１〜第５モータ５１〜５５）、対応するモータの回転角度を検出するエンコーダ（第１〜第５エンコーダ６１〜６５）と、を備える。本実施形態では、モータはサーボモータであり、エンコーダはロータリエンコーダである。エンドエフェクタは、アーム２２の先端リンク（第６リンク３６）に取り付けられ、部品（ワーク）の保持とその解除とが可能となっている。エンドエフェクタは、例えば、メカチャックや吸着ノズル、電磁石などを用いることができる。また、アーム２２（第５リンク３５）には、作業台１１に設置された作業対象物などの物体に付されたマークＭを撮像するためのマークカメラ２４が取り付けられている。

アーム２２の基端リンク（第１リンク３１）は、作業台１１に固定されている。作業台１１には、基板搬送装置１２や部品供給装置１３、パーツカメラ１４などが配置されている。基板搬送装置１２は、本実施形態では、前後方向（Ｙ軸方向）に間隔を空けて左右方向（Ｘ軸方向）に架け渡された一対のベルトコンベアを有する。基板Ｓは、ベルトコンベアによって左から右へと搬送される。部品供給装置１３は、本実施形態では、複数の部品が所定間隔で収容されたテープを後方（Ｙ軸方向）へ送り出すテープフィーダとして構成される。なお、部品供給装置１３は、テープフィーダに限られず、例えば、複数の部品が配置されたトレイを供給するトレイフィーダなど、如何なるタイプの部品供給装置であってもよい。パーツカメラ１４は、エンドエフェクタに保持された部品がパーツカメラ１４の上方を通過する際に当該部品を撮像し、撮像した画像を制御装置７０へ出力する。

制御装置７０は、ＣＰＵ７１を中心としたマイクロプロセッサとして構成され、ＣＰＵ７１の他に、ＲＯＭ７２やＨＤＤ７３、ＲＡＭ７４、駆動回路７５などを備える。駆動回路７５は、第１〜第５モータ５１〜５５を駆動するための回路である。制御装置７０には、第１〜第５エンコーダ６１〜６５やパーツカメラ１４、マークカメラ２４、入力装置７６などから信号が入力される。制御装置７０からは、基板搬送装置１２や部品供給装置１３、出力装置７７、第１〜第５モータ５１〜５５へ信号が出力される。なお、入力装置７６は、オペレータが入力操作を行なう入力デバイスである。また、出力装置７７は、各種情報を表示するための表示デバイスである。

図４は、制御装置７０により実行されるロボット制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間ごとに繰り返し実行される。ロボット制御ルーチンが実行されると、制御装置７０のＣＰＵ７１は、まず、目標位置および姿勢を取得する（Ｓ１００）。ここで、本実施形態では、目標位置および姿勢は、採取作業が実行される場合、部品を採取する際のエンドエフェクタの位置および姿勢である。また、目標位置および姿勢は、実装作業が実行される場合、採取した部品を基板Ｓに実装する際のエンドエフェクタの位置および姿勢である。

次に、ＣＰＵ７１は、取得した目標位置をマトリックス補正パラメータを用いて補正する（Ｓ１１０）。図５は、マトリックス補正パラメータの一例を示す説明図である。マトリックス補正パラメータは、図示するように、作業点の識別情報（作業点Ｎｏ．）と空間座標値と補正値（３次元のオフセット量）とが対応付けられたものであり、ＨＤＤ７３に記憶されている。目標位置の補正は、目標位置周辺の複数の作業点の補正値から線形補間などの周知の補間法を用いて目標位置における補正値を導出し、導出した補正値で目標位置をオフセットすることにより行なうことができる。或いは、目標位置の補正は、目標位置から最も近い作業点の補正値で目標位置をオフセットすることにより行なうものとしてもよい。

続いて、ＣＰＵ７１は、補正後の目標位置および姿勢を座標変換することにより各関節（第１〜第５関節４１〜４５）の目標角度を設定する（Ｓ１２０）。座標変換は、例えば、周知のＤＨパラメータを用いて行なうことができる。

そして、ＣＰＵ７１は、設定した目標角度に基づいて対応するモータ（第１モータ５１〜５５）を駆動制御して（Ｓ１３０）、ロボット制御ルーチンを終了する。なお、ＣＰＵ７１は、採取作業を実行する場合、エンドエフェクタが目標位置および姿勢に到達すると、部品が採取されるようエンドエフェクタに部品を保持させる。また、ＣＰＵ７１は、実装作業を実行する場合、エンドエフェクタが目標位置および姿勢に到達すると、部品が基板Ｓに実装されるようエンドエフェクタに部品の保持を解除させる。

以下の説明は、目標位置を用いてロボット２０の動作を制御する際の作業位置補正工程を説明するものである。図６は、作業位置補正工程の一例を示す説明図である。作業位置補正工程は、組み付け調整（Ｓ２００）と、ジオメトリ調整（Ｓ２１０）と、キャリブレーション（Ｓ２２０）と、マトリックス測定・補正（Ｓ２３０）とをこの順に実行することにより行なわれる。なお、説明の都合上、説明の順序は、マトリックス測定・補正，組み付け調整，ジオメトリ調整，キャリブレーションとする。

マトリックス測定・補正は、上述した目標位置の補正に用いるマトリックス補正パラメータを設定するための工程である。図７は、マトリックス測定・補正の一例を示す説明図である。なお、マトリックス測定は、図７のＳ３００〜Ｓ３３０が該当する。マトリックス補正は、図７のＳ３４０，Ｓ３５０と図４のＳ１１０とが含まれる。また、図８は、３次元計測器１００を用いてマーカｍに対して３次元計測を行なう様子を示す説明図である。図８中、領域Ａは、ロボット２０の作業領域である。オペレータは、マトリックス測定の準備として、図８に示すように、先端リンクに計測用のマーカｍを取り付けると共に、作業台１１の隅部に３次元計測器１００を設置する。３次元計測器１００は、レーザトラッカやモーションキャプチャを用いることができる。制御装置７０のＣＰＵ７１は、マトリックス測定・補正が指示されると、まず、ロボット２０の作業領域Ａに指定ピッチでマトリックス状に複数の作業点を設定する（Ｓ３００）。図９は、作業点の一例を示す説明図である。なお、ピッチの指定は、オペレータが入力装置７６を操作することにより行なわれる。続いて、ＣＰＵ７１は、各作業点の空間座標値を目標位置に指定し、マーカｍが指定した目標位置へ移動するようアーム２２（第１〜第５モータ５１〜５５）を制御する（Ｓ３１０）。そして、制御装置７０は、３次元計測器１００で計測されたマーカｍの実位置を入力する（Ｓ３２０）。次に、ＣＰＵ７１は、作業点ごとに空間座標値と入力したマーカｍの実位置との差分を導出する（Ｓ３３０）。こうしてマトリックス測定を行なうと、ＣＰＵ７１は、導出した差分から補正値（オフセット値）を導出する（Ｓ３４０）。そして、ＣＰＵ７１は、作業点ごとに空間座標値と補正値とを対応付けたマトリックス補正パラメータを設定して（Ｓ３５０）、マトリックス測定・補正を終了する。

組み付け調整は、各リンク（第１〜第６リンク３１〜３６）を組み付ける際にジグを用いて組み付け角度などの調整を行なう工程である。

ジオメトリ調整は、座標変換に用いるＤＨパラメータを最適化する工程である。オペレータは、ジオメトリ調整の準備として、マトリックス測定・補正と同様に、先端リンクに計測用のマーカｍを取り付けると共に、作業台１１の隅部に３次元計測器１００を設置する。ＣＰＵ７１は、ジオメトリ調整が指示されると、ロボット２０の作業領域Ａに複数の測定点を設定する。測定点の設定は、例えば、オペレータが入力装置７６を操作して測定点を指定することにより行なうことができる。次に、ＣＰＵ７１は、各測定点の空間座標値を目標位置に指定し、指定した目標位置へマーカｍが移動するようアーム２２（第１〜第５モータ５１〜５５）を制御する。そして、ＣＰＵ７１は、３次元計測器１００で計測されたマーカｍの実位置を入力し、測定点の空間座標値と入力したマーカｍの実位置との差分（誤差）が最小となるようにＤＨパラメータを逆算して、ジオメトリ調整を終了する。

キャリブレーションは、ロボット２０と作業台１１（作業対象物）との相対的な位置関係を把握し、ロボット２０を動作させる際の目標位置に反映させる工程である。図１０は、キャリブレーションの様子を示す説明図である。オペレータは、キャリブレーションの準備として、マークＭが付された物体１１０を作業台１１に予め決められた位置に固定する。ＣＰＵ７１は、キャリブレーションが指示されると、まず、物体１１０の上方へマークカメラ２４が移動するようアーム２２（第１〜第５モータ５１〜５５）を制御する。続いて、ＣＰＵ７１は、マークカメラ２４で物体１１０に付されたマークＭを撮像する。そして、ＣＰＵ７１は、エンコーダ（第１〜第５エンコーダ６１〜６５）により検出された各関節の回転角度を座標変換して撮像時のマークカメラ２４の位置（撮像位置）を算出する。次に、ＣＰＵ７１は、算出した撮像位置を基準として、撮像した画像中に写るマークＭの位置を認識する。そして、ＣＰＵ７１は、認識したマークＭの位置からロボット２０と作業台１１との相対的な位置関係を特定し、ロボット２０を動作させる際の目標位置に反映させて、キャリブレーションを終了する。

このように、本実施形態では、マトリックス測定・補正は、ジオメトリ調整とキャリブレーションとが実行された後に、実行される。即ち、マトリックス測定・補正は、ジオメトリ調整やキャリブレーションの実行によってロボット２０の位置精度がある程度高められた状態で実行されることになる。ここで、マトリックス測定・補正で導出されるマトリックス補正パラメータは、マトリックス測定・補正において指定される作業点間のピッチが細かいほど、補正精度が高くなる。しかし、この場合、マトリックス測定・補正は、その実行に長時間を要する。また、マトリックス補正パラメータは、データ数が多くなり、必要な記憶容量を増大させる。本実施形態では、マトリックス測定・補正の前にジオメトリ調整やキャリブレーションを実行することで、ピッチを過度に細かく設定することなく、作業領域全域で必要な精度の補正値を得ることができる。

ここで、本実施例の主要な要素と発明の開示の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。即ち、アーム２２（第１〜第６リンク３１〜３６）がロボットアームに相当し、モータ（第１〜第５モータ５１〜５５）がアクチュエータに相当し、ＨＤＤ７３が記憶装置に相当し、制御装置７０が制御装置に相当する。

以上説明した本実施形態では、ロボット２０の可動領域内において複数の作業点を設定し、設定した複数の作業点において空間座標値と補正値とを対応付けたマトリックス補正パラメータを設定するマトリックス測定・補正を行なう。ロボット２０の制御装置７０は、指定された目標位置をマトリックス補正パラメータを用いて補正する。これにより、制御装置７０は、アーム２２にジオメトリ調整やキャリブレーションで補正できない誤差が含まれていても、誤差の影響を受けることなく、アーム２２をより正確に目標位置へ移動させることができる。

また、本実施形態では、マトリックス測定・補正の前にジオメトリ調整を行なう。このため、ロボット２０は、ジオメトリ調整とマトリックス測定・補正との組み合わせにより位置精度をより向上させることができる。加えて、本実施形態では、マトリックス測定・補正の前にジオメトリ調整を実行することで、マトリックス測定においてピッチを過度に細かく設定することなく、作業領域全域で必要な精度の補正値を得ることができる。

さらに、本実施形態では、マトリックス測定・補正の前にキャリブレーションを行なう。このため、ロボット２０は、作業台１１との相対的な位置関係を正しく把握することができ、位置精度をさらに向上させることができる。加えて、本実施形態では、マトリックス測定・補正の前にキャリブレーションを実行することで、マトリックス測定においてピッチを過度に細かく設定することなく、作業領域全域で必要な精度の補正値を得ることができる。

なお、本開示は、上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、マトリックス測定・補正の他に、組み付け調整とジオメトリ調整とキャリブレーションとを実行するものとしたが、これらのうち一部または全部を省略するものとしてもよい。また、上述した実施形態では、キャリブレーションは、ジオメトリ調整の後に実行されるものとしたが、ジオメトリ調整の前に実行されてもよい。

また、上述した実施形態では、ＣＰＵ７１は、マトリックス測定において、所定ピッチでマトリックス状に並ぶように複数の作業点を設定したが、他の規則に従って複数の作業点を設定してもよい。

また、上述した実施形態では、ロボット２０は、５軸の関節を有するものとしたが、４軸以下の関節を有してもよいし、６軸以上の関節を有してもよい。また、ロボット２０は、回転・旋回関節のみを有するものとしたが、直動関節を有してもよい。

以上説明したように、本開示の作業位置補正方法は、目標位置を指定して多関節型の作業ロボットを動作させる際の作業位置補正方法であって、前記作業ロボットの可動領域内において複数の作業点を設定し、該設定した複数の作業点に対して空間座標値と補正値とを対応付けた補正パラメータを設定し、前記設定した補正パラメータを前記目標位置に反映させるものである。

この本開示の作業位置補正方法において、前記複数の作業点を、所定ピッチでマトリックス状に並ぶように設定するものとしてもよい。この本開示によれば、隣接する作業点間のピッチを適宜設定することで、必要な作業精度を容易に確保することができる。

また、本開示の作業位置補正方法において、前記複数の作業点を設定し前記設定した複数の作業点の各空間座標値を順次目標位置に指定して前記作業ロボットを移動させて各作業点での前記作業ロボットの実位置を計測し各作業点の空間座標値と前記計測した実位置との差分を導出するマトリックス測定を行ない、前記導出した差分に基づいて各作業点ごとの補正値を導出し各作業点ごとに空間座標値と前記導出した補正値とを対応付けて前記補正パラメータを設定し前記設定した補正パラメータを前記目標位置に反映させるマトリックス補正を行なうものとしてもよい。この本開示の作業位置補正方法によれば、各作業点ごとにより正確な補正値を導出することができる。

さらに、本開示の作業位置補正方法において、隣接する作業点の間の補正値を補間するものとしてもよい。この本開示の作業位置補正方法によれば、設定された作業点からズレた位置に目標位置が指定される場合でも、必要な位置精度を確保することができる。

また、本開示の作業位置補正方法において、前記マトリックス測定の前に、前記目標位置の座標変換に用いる変換パラメータを調整するジオメトリ調整を行なうものとしてもよい。この本開示の作業位置補正方法によれば、マトリックス補正とジオメトリ調整との組み合わせによって作業精度をより向上させることができる。また、この本開示の作業位置補正方法によれば、ジオメトリ調整をマトリックス測定の前に実行するため、マトリックス測定に必要な作業点の数を増大させることなく、必要な位置精度を確保することができる。

また、本開示の作業位置補正方法において、前記マトリックス測定の前に、前記作業ロボットが作業を行なう作業対象物が設置される作業台と該作業ロボットとの相対位置関係を特定して前記目標位置に反映させるキャリブレーションを行なうものとしてもよい。この本開示の作業位置補正方法によれば、マトリックス測定とジオメトリ調整とキャリブレーションとの組み合わせによって作業精度をさらに向上させることができる。また、この本開示の作業位置補正方法によれば、キャリブレーションをマトリックス測定の前に実行するため、マトリックス測定に必要な作業点の数を増大させることなく、必要な位置精度を確保することができる。

本開示は、作業ロボットの製造産業などに利用可能である。

１０ロボットシステム、１１作業台、１２基板搬送装置、１３部品供給装置、１４パーツカメラ、２０ロボット、２２アーム、２４マークカメラ、３１〜３６第１〜第６リンク、４１〜４５第１〜第５関節、５１〜５５第１〜第５モータ、６１〜６５第１〜第５エンコーダ、７０制御装置、７１ＣＰＵ、７２ＲＯＭ、７３ＨＤＤ、７４ＲＡＭ、７５駆動回路、７６入力装置、７７出力装置、１００３次元計測器、ｍマーカ、Ｍマーク、Ｓ基板。

Claims

目標位置を指定して多関節型の作業ロボットを動作させる際の作業位置補正方法であって、
前記目標位置の座標変換に用いる変換パラメータを調整するジオメトリ調整を行なった後、前記作業ロボットの可動領域内において複数の作業点を設定し、該設定した複数の作業点の各空間座標値を順次目標位置に指定して前記作業ロボットを移動させ、各作業点での前記作業ロボットの実位置を計測し、各作業点の空間座標値と前記計測した実位置との差分を導出するマトリックス測定を行ない、
前記導出した差分に基づいて各作業点ごとの補正値を導出し、各作業点ごとに空間座標値と前記導出した補正値とを対応付けて前記補正パラメータを設定し、前記設定した補正パラメータを前記目標位置に反映させるマトリックス補正を行なう、
作業位置補正方法。
請求項１記載の作業位置補正方法であって、
前記複数の作業点を、所定ピッチでマトリックス状に並ぶように設定する、
作業位置補正方法。
請求項１または２に記載の作業位置補正方法であって、
隣接する作業点の間の補正値を補間する、
作業位置補正方法。
請求項１ないし３いずれか１項に記載の作業位置補正方法であって、
前記マトリックス測定の前に、前記作業ロボットが作業を行なう作業対象物が設置される作業台と該作業ロボットとの相対位置関係を特定して前記目標位置に反映させるキャリブレーションを行なう、
作業位置補正方法。